「ＲＳＰ事業だより」波長変換型フィルム用発光色素の開発と農業への応用研究

独立行政法人　科学技術振興機構による
地域研究開発促進拠点支援（RSP）事業です。

　紫外線を青色光に、緑色光を赤色光に波長変換する機能を付与した“固体発光性色素”を開発しました。昨年の研究から、これらの色素を透明プラスチックフィルムに組み入れて作製した“波長変換フィルム”を被覆フィルムとして使用すると、農園芸作物の光合成促進や生育調整に効果的に作用することが分かりました。本年は、試作したフィルムを使用して、さらに数種の野菜や花卉の生長・発育制御、色素発現等に対する効果の実証試験を進めながら、“波長変換フィルム”の波長変換効率の向上と耐久性改善について検討を行いました。

波長変換型フィルム用発光色素の開発と農業への応用研究

高知大学理学部吉田勝平・東洋ケミカル㈱高橋　雄
高知大学農学部北野雅治・福元康文・島崎一彦

　農業用ハウスでは、いろいろな施設園芸用被覆フィルムが使用されており、紫外線、可視光線、赤外線の光強度を調節することによって、害虫忌避、病気抑制、高温回避、および様々な形の生育調整が検討されています。例えば、色素の光吸収機能を活用した“紫外線カットフィルム”は、害虫忌避、一部の病気に対する抑制や生育促進効果が認めてられており、“赤外線カットフィルム”は遮熱資材として実用化されています。一方、蛍光色素の波長変換機能を活用した“波長変換フィルム”では、光合成促進効果や光形態形成反応の制御による生育調整効果が期待できますが、光透過率や耐久性の改善が必要であり、研究開発段階に留まっています。一般的に、光調整の目的で使用する施設園芸用被覆フィルムにおいては、可視光領域での光透過性が極めて重要であり、光強度を弱めてしまうと生育低下を引き起こす原因となります。蛍光色素を組み入れる“波長変換フィルム”の場合では、植物の生育にあまり影響しない光を吸収領域とし発光領域が生育に有効な光となるように蛍光色素を事前に分子設計すれば、有効波長領域での光強度は強まり効果的な光調整が可能となります。本研究では、専門分野の全く異なる研究者が、発光色素の創出、波長変換フィルムの創製、農園芸作物栽培実証試験の各分野で、夫々の専門知識・技術を持ち寄り情報および意見を交換し合い、有機的連携の下で課題解決に向けて取り組んでいます。

波長変換発光型フィルムを利用した施設園芸作物の高付加価値化実証試験

　植物の光に対する反応は、二酸化炭素と水から有機化合物を合成する“光合成反応”と種子発芽、器官伸長、花芽形成等に関係する “光形態形成反応”の大きく2つに分けられます。前者は葉、茎、根が増加する量的な成長反応であるのに対して、後者は植物の質的な成長反応といえます。どちらの反応過程も光質や光量によって影響を受け、特に可視光領域の中の青色光と赤色光が深く関係していることが知られています。この現象を試作した“波長変換フィルム”を使用して深く追究し、栽培技術に生かして農園芸作物の高付加価値化に結びつけることを目標としています。
　昨年の研究成果から、ハツカダイコンでは赤色蛍光フィルム被覆下で可食部の生長が促進され,青色蛍光フィルム被覆下ではネギの葉および葉鞘の伸長が促進されることが明らかになっています。今年はさらに、メロン、キュウリ、スイカ、カボチャなど数種の野菜、花卉ではグロリオーサなど数種の園芸作物の実生苗の生長に及ぼす影響について検討を行いました。

（1）花卉と野菜での生長制御試験
　初期生育について検討し、赤色蛍光フィルム被覆下で茎の伸長促進作用が確認され、キュウリでは乾物重も増加しました。また、グロリオーサでも塊茎から萌芽初期の茎の伸長は赤色蛍光フィルム被覆下で促進され,青色蛍光フィルム被覆下で抑制されることが明らかになりました。これらの結果から“波長変換フィルム”を被覆することで野菜や花卉の茎の伸長が制御できることが示されました。
（3）実証試験に使用した試作蛍光フィルムの耐候性試験
　種子の発芽試験は、発芽が難しいとされているブルースターの種子および光発芽性種子のモデルとして使用されるレタスの種子を用いて検討しました。赤色蛍光フィルム区では、著しい発芽促進効果が認められました。種子が微細で特別な技術を要することが多い光発芽種子でも、赤色蛍光フィルムを使用すれば効率良く育苗できる可能性が示されました。
（2）種子の発芽試験
　今回の実証試験に使用した試作蛍光フィルムの耐候性は、栽培実証試験地においてフィルムの光透過性を経時的に測定することで検討しました。その結果、耐候性のさらなる改良を要することが分かりました。

固体発光性色素の創出と農園芸用光調節フィルムの開発

　波長変換効率および耐久性に優れた波長変換型の“農業用光調整フィルム”を開発するには、フィルムに組み込む蛍光色素に多くの厳しい条件が求められます。従来の蛍光色素を凌ぐ特性を持つ発光性色素を如何にして創出するかは、本研究の最重要課題の1つです。蛍光色素の発光波長は、光合成に関わるクロロフィルや光形態形成反応に関与するフィトクロームの吸収ピークとほぼ一致する領域を照準としました。また、これまでの基礎研究の成果を活かして、固体状態での濃度消光を緩和させた“固体発光性色素”を分子設計の指針としました。分子設計に基づき創出した固体発光性の青色蛍光色素および赤色蛍光色素を、透明高分子樹脂に組み込んで試作した栽培実証試験用の “波長変換フィルム”の波長変換機能は、分光放射計を用いた測定により評価を行い、ほぼ満足できる結果が得られました。しかしながら、フィルムの耐久性の向上については十分な結果が得られず、問題解決にはさらなる研究が必要になっています。そこで、耐久性改善の糸口をつかむことを目的に耐光試験を行い、以下の結果を得ることができました。

異なる蛍光母体を持つ10種の蛍光色素について、色素母体の相違による比較を行った結果、母体骨格の違いで耐光性に大きな差異が認められた。

また、蛍光母体が同一であっても置換基の変化で耐光性に大きな差異が認められた。

蛍光色素を組み込む高分子樹脂の種類を変化させることによっても、色素の耐光性が大きく変化した。

蛍光色素を有機溶媒に溶解させた状態、フィルム中での溶融状態、ガラス基盤上での薄膜蒸着状態で耐久性の比較を行った結果、色素の耐光性に大きな差異が認められた。

耐光性に及ぼす空気や水の影響についても色素の種類で差異が認められた。

　これらの結果から耐久性の向上については、耐光性に優れた色素母体の構築、耐光性に有利な高分子樹脂の選択、蛍光色素の組み込み方法等について、総合的に検討して改良を図ることが重要であることが分かりました。